Multi-method approach to study the influence of additives in ternary systems : gypsum, water and impurities

Aboytes Contreras, Jazmín Consuelo GND

The production of gypsum wallboard starts with high-quality materials that are obtained from natural and/or industrial sources. The optimization of the manufacture of wallboard is a major target for the building materials industry. Admixtures, such as PCEs, are widely used as additives to decrease the water demand without affecting the workability of the cementitious and gypsum systems. The limiting factors for the use of PCEs in the production of gypsum-based products are impurities of the raw materials. The presence of certain impurities, such as swelling clays, could result on an incompatibility with the admixtures that would affect directly the workability. The main goal of this thesis was to find a polycarboxylate-type admixture that will avoid the loss of its robustness while in contact with the impurities of natural hemihydrate, specially swelling clays. The fundamental mechanisms in the interaction of methoxypoly(ethylene-glycol)methacrylate type comb polycarboxylate based superplasticizers were investigated by: (1) the influence of the raw material, (2) the influence of the PCE structure and (3) the influence of the bentonite as an impurity. Two model systems were considered: natural beta-hemihydrate and, natural beta-hemihydrate with bentonite, as a contaminant. The experimental data was obtained performing slump tests, setting times, adsorption calculations, calorimetry, as well as rheological studies and zeta potential analysis. The raw material was studied to understand the compatibility of the PCEs with the different types of gypsum: hemihydrate and dihydrate, synthetic and natural, and alpha and beta hemihydrates. Moreover, the decrease of the PCE performance as an effect of impurities in natural hemihydrate was determined by the decrease of the workability of the slurry and the adsorption of the PCE in raw materials. To understand the influence of the PCE structure, three main areas were analyzed as follow: − Effect of the side chain lengths of the polycarboxylates on the workability of the slurry. − Influence of the backbone type of these copolymers on workability and hydration of the hemihydrate slurry. − Effect of the side chain density of the polycarboxylate copolymers on their adsorptionworkability behavior. In the pure hemihydrate system, a polycarboxylate possessing long side chains (2000 g/mol) with a methacrylic acid backbone and lower side chain density (C:E 9) is the ideal comb-polymer for the flowability required in the wallboard production. In the hemihydrate-bentonite model system, experimental data was obtained for the decrease of the PCE performance due to adsorption and intercalation of the PCE into the bentonite-layered structure. The study showed the effect of the side chain lengths and backbone type of the copolymers on their undesired consumption by bentonite contaminants. The investigation revealed that the polymer consumption is dependent on the side chain length and backbone type. Therefore, a polymer with short side chains (59 g/mol) and a MAS backbone was found to be an ideal structure: it would increase the compatibility with the bentonite contaminants in the natural hemihydrate.

Die Produktion von Gipskartonplatte beginnt mit hochwertigen Materialien, die aus natürlichen und/oder industriellen Quellen erhalten werden. Die Optimierung der Herstellung von Gipskartonplatten ist ein Hauptziel für die Baustoffindustrie. Zusatzmittel, wie PCE, sind weit verbreitet als Additive verwendet werden, um den Wasserbedarf, ohne die Verarbeitbarkeit der Gips- und zementhaltigen Systemen zu verringern. Die begrenzenden Faktoren für die Verwendung von PCE in der Herstellung von Gipserzeugnissensind Verunreinigungen der Rohstoffe . Das Vorhandensein bestimmter Verunreinigungen, wie quellende Tone, könnte auf eine Unverträglichkeit mit den Beimengungen, die unmittelbar auf die Verarbeitbarkeit führen würde. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, eine Polycarboxylattyps Beimischung, die vermeiden den Verlust seiner Robustheit während sie in Kontakt mit den Verunreinigungen der natürlichen Hemihydrat , speziell quellende Tone zu finden. (1) dem Einfluss der Rohstoffe, (2) den Einfluss des PCE -Struktur und (3) den Einfluss der: Die grundlegenden Mechanismen der Interaktion von Methoxypoly ( Ethylen -Glykol ) Methacrylat Kamm Polycarboxylats basierten Fließmitteln wurden von sucht Bentonit als Verunreinigung. Zwei Modellsysteme wurden betrachtet: natürliche Beta- Halbhydrat und natürliche Beta- Halbhydrat mit Bentonit, als Verunreinigung. Die experimentellen Daten wurden erhalten Durchführung Einbruch -Tests, Rüstzeiten, Adsorption Berechnungen, Kalorimetrie sowie rheologische Untersuchungen und Zeta-Potential -Analyse. Der Rohstoff wurde untersucht, um die Kompatibilität der PCE mit den verschiedenen Arten von Gips verstehen: Halbhydrat und Dihydrat , synthetische und natürliche und Alpha -und Beta- Halbhydrate . Darüber hinaus wurde die Abnahme der PCE Leistung als eine Wirkung von Verunreinigungen in natürlichen Hemihydrat durch die Abnahme der Bearbeitbarkeit der Aufschlämmung und die Adsorption des PCE in Rohstoffe bestimmt. Um den Einfluss des PCE -Struktur zu verstehen, wurden drei Hauptbereiche wie folgt analysiert: - Wirkung der Seitenkettenlängen der Polycarboxylate auf die Verarbeitbarkeit der Aufschlämmung. - Einfluss der Art Rückgrat dieser Copolymere auf die Verarbeitbarkeit und die Hydratation der Hemihydrataufschlämmung . - Wirkung der Seitenkettendichteder Polycarboxylat- Copolymere auf ihre Verarbeitbarkeit Adsorptions - Verhalten . In der reinen Halbhydrat -System, ein Polycarboxylats besitzen langen Seitenketten (2000 g / mol) mit einem Methacrylsäure Rückgrat und unteren Seitenkettendichte(C: E 9) ist die ideale Kamm - Polymer für die Wandplatten in der Produktion benötigt Fließfähigkeit. In der Hemihydrat -Bentonit- Modellsystem wurde experimentelle Daten für die Verringerung des PCE Leistung durch Adsorption und Einlagerung von PCE in der Bentonit - Schicht-Struktur erhalten. Die Studie zeigte die Wirkung der Seitenkettenlänge und Art der Hauptkette der Copolymeren auf ihre unerwünschten Verbrauch von Bentonit Verunreinigungen. Die Untersuchung ergab, daß das Polymerverbrauch hängt von der Seitenkettenlänge und Backbone - Typ. Daher wird ein Polymer mit kurzen Seitenketten ( 59 g / mol ) und eine MAS -Backbone erwies sich als ideale Struktur sein: es würde die Kompatibilität mit den Verunreinigungen in dem Bentonit natürlichen Hemihydrat erhöhen.

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Aboytes Contreras, Jazmín: Multi-method approach to study the influence of additives in ternary systems : gypsum, water and impurities. 2014.

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